Исследователи сообщают о нелогичном эффекте трения
Как правило, чем быстрее две поверхности скользят относительно друг друга, тем больше износ. Но на чрезвычайно высоких скоростях, сравнимых с начальной скоростью огнестрельного оружия, это можно изменить: выше определенной скорости износ снова уменьшается. Этот удивительный и, казалось бы, противоречивый результат теперь был объяснен с помощью компьютерного моделирования, проведенного Исследовательским отделом трибологии Технического университета Вены и Австрийским передовым центром трибологии (AC2T research GmbH) в Винер-Нойштадте в сотрудничестве с Имперским колледжем в Лондоне.
Низкая скорость скольжения (слева) оставляет структуру металла нетронутой. Быстрое скольжение (посередине) полностью разрушает его. Чрезвычайно быстрое скольжение (справа) частично расплавляет самый верхний слой, но этот эффект защищает нижние слои. Предоставлено: Венский технологический университет.
Когда две металлические поверхности скользят друг относительно друга, происходит множество сложных явлений, которые приводят к трению и износу: небольшие кристаллические области, из которых обычно состоят металлы, могут деформироваться, искривляться или ломаться или даже сливаться друг с другом. Для промышленности важно понимать такие эффекты. В конце концов, износ может разрушить технику и стоить больших денег.
Как правило, чем быстрее две поверхности скользят относительно друг друга, тем больше износ. Но на чрезвычайно высоких скоростях, сравнимых с начальной скоростью огнестрельного оружия, это можно изменить: выше определенной скорости износ снова уменьшается. Этот удивительный и, казалось бы, противоречивый результат теперь был объяснен с помощью компьютерного моделирования, проведенного Исследовательским отделом трибологии Технического университета Вены и Австрийским передовым центром трибологии (AC2T research GmbH) в Винер-Нойштадте в сотрудничестве с Имперским колледжем в Лондоне.
Моделирование на высокопроизводительных компьютерах
«Раньше трение и износ можно было изучать только экспериментально», — говорит Стефан Эдер (Технический университет Вены, AC2T research GmbH). «Только в последние годы суперкомпьютеры стали настолько мощными, что мы можем моделировать очень сложные процессы на поверхности материала в атомном масштабе».
Стефан Эдер и его команда воссоздают на компьютере различные металлические сплавы — не идеальные монокристаллы со строго правильным и бездефектным расположением атомов, а сплав, гораздо более близкий к реальности: геометрически сложное расположение крошечных кристаллов, которые можно смещены друг относительно друга или скручены в разные стороны, что проявляется дефектами материала. «Это важно, потому что все эти дефекты оказывают решающее влияние на трение и износ», — говорит Штефан Эдер. «Если бы мы смоделировали идеальный металл на компьютере, результат имел бы мало общего с реальностью».
Удивительные результаты
Исследовательская группа подсчитала, как скорость скольжения влияет на износ: «При сравнительно низких скоростях, порядка десяти-двадцати метров в секунду, износ невелик. Изменяются только самые внешние слои, кристаллические структуры под ними остаются практически неповрежденными», — говорит Стефан Эдер. .
Если увеличить скорость до 80–100 метров в секунду, то износ увеличивается, что и следовало ожидать, ведь тогда больше энергии передается в металл в единицу времени. «Затем вы постепенно входите в диапазон, в котором металл ведет себя как вязкая жидкость, похожая на мед или арахисовое масло», — говорит Стефан Эдер. Более глубокие слои металла вытягиваются в направлении проходящей поверхности, и микроструктура металла полностью реорганизуется. Отдельные зерна, из которых состоит материал, скручиваются, ломаются, вталкиваются друг в друга и, наконец, тянутся вперед.
Однако команда испытала удивление, когда они перешли к еще более высоким скоростям: выше примерно 300 метров в секунду, что примерно соответствует максимальной скорости самолетов в гражданской авиации, износ снова снижается. Микроструктура металла непосредственно под поверхностью, которая полностью разрушается при средних скоростях, теперь снова остается практически неповрежденной.
«Это было удивительно для нас и для сообщества трибологов», — говорит Стефан Эдер. «Но исследование литературы показало нам: этот эффект наблюдался другими учеными в экспериментах — просто он не очень хорошо известен, потому что такие высокие скорости встречаются редко. Однако происхождение этого эффекта до сих пор не выяснено».
Плавление поверхности защищает более глубокие слои
Более подробный анализ компьютерных данных пролил свет на то, как возможен этот эффект: на чрезвычайно высоких скоростях трение генерирует много тепла, но очень неравномерно. Соприкасаются лишь отдельные пятна на скользящих друг о друга поверхностях двух металлов, и эти небольшие участки могут достигать тысяч градусов по Цельсию. В промежутках температура намного ниже.
В результате небольшие участки поверхности могут плавиться, а затем рекристаллизоваться через долю секунды. Таким образом, самый внешний слой металла резко изменяется, но именно это защищает более глубокие области материала: износ ощущается только на самых внешних слоях материала, а кристаллические структуры под ним изменяются лишь незначительно.
«Этот эффект, который до сих пор почти не обсуждался, возникает с разными материалами», — говорит Стефан Эдер. «Везде, где возникает трение на высоких и очень высоких скоростях, необходимо учитывать это в будущем». Это относится, например, к современным высокоскоростным подшипникам и трансмиссиям электромобилей или к машинам, которые шлифуют поверхности. Этот теперь более понятный эффект также играет роль в стабильности металлов при автомобильных авариях или при столкновении мелких частиц с высокоскоростным самолетом.
Исследование опубликовано в Applied Materials Today.
